DE19538261C2

DE19538261C2 - Induktiv beheizte Galette

Info

Publication number: DE19538261C2
Application number: DE1995138261
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr Schlueter; Martin Willimzik
Original assignee: NEUMAG GmbH; NEUMAG Neumuenstersche Maschinen und Anlagenbau GmbH
Current assignee: Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2015-10-14
Also published as: DE19538261A1

Description

Die Erfindung betrifft eine induktiv beheizte Galette gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem aus der DE 43 13 837 C1 bekannten Verfahren zum induktiven Beheizen einer Galette mit mehreren axial hintereinander angeordneten Heizzonen wird die Heizleistung den Heizzonen separat zugeführt und gruppenweise in Abhängigkeit von einer im Galettenmantel gemessenen Temperatur geregelt. Dieses Verfahren, mit dem ein sehr konstantes Temperaturprofil erreicht wird, benötigt verhältnismäßig viel Energie. Die aus der DE 43 13 837 C1 bekannte Galette weist in jeder Heizzone auf einem Stator angeordnete Primärwicklungen und aus Kupfer ausgebildete in den Galettenmantel eingesetzte Sekundärwicklungen auf und ist durch die Sekundärwicklungen aufwendig herzustellen.

Aus der DE-OS 16 60 215 ist eine Galette bekannt, deren Galettenmantel keine definierte Sekundärwicklungen aufweist. Die Heizleistung wird durch Steuerung des Speisestroms der Induktionsspule, d. h. der Primärwicklung, über einen Regler in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur zugeführt. Auch dieses Verfahren zum induktiven Beheizen der Galette ist energieaufwendig.

Aus der DE 34 15 967 A1 ist ein Verfahren zum Beheizen von ferromagnetischen Materialien mit einer Primärspule, die mit einem Wechselstrom gespeist wird, bekannt. Bei diesem Verfahren wird zur Temperaturregelung die Frequenz des Primärstroms in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur variabel gesteuert. Dabei kann die Impulsfrequenz und /oder die Impulsdauer in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur variiert werden.

Ein Verfahren, das weniger Energie zum Beheizen einer Galette benötigt, und eine gattungsgemäße Galette mit einer oder mehreren ortsfesten Primärwicklungen und einem magnetisch leitenden Galettenmantel, der konzentrisch zu den Primärwicklungen drehbar gelagert ist, mit den Primärwicklungen über einen engen Spalt zur Erzeugung von Sekundärströmen induktiv verbunden ist und keine definierte Sekundärwicklung besitzt, ist aus der EP 511 549 B1 bekannt. Zum Beheizen der Galette werden die Primärwicklungen mit einem Wechselstrom fest einstellbarer Wechselstromfrequenz von mindestens 300 Hz betrieben. Die Primärwicklungen sind in einem Schwingkreis eingeschlossen, der auf die eingestellte Wechselstromfrequenz abgestimmt ist.

Die Stromversorgung besteht aus einer Wechselspannungsquelle und einem von dieser gespeisten Gleichspannungszwischenkreis, von dem aus der Schwingkreis über Leistungsschalter mit vorgegebener Impulsfolge ansteuerbar ist. Die Ansteuerung erfolgt, in dem die Leistungsschalter von einem zugeordneten Temperaturregler in Abhängigkeit von der im Bereich der Primärwicklung gemessenen Temperatur bei Unterschreiten einer vorgegebenen Solltemperatur eingeschaltet und mit der Impulsfolge angesteuert und bei Überschreiten einer vorgegebenen Solltemperatur ausgeschaltet werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine induktiv beheizte Galette gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu entwickeln, die eine weitere Senkung des Energiebedarfs ermöglicht.

Die Aufgabe ist durch das kennzeichnende Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Ausbildung der Keine für die Primärwicklungen gemäß Anspruch 1 als Ferrite führt zu einer weiteren Energieersparnis. Bei einer induktiven Beheizung, bei der Primärspulen mit einem Wechselstrom hoher Frequenz gespeist werden, treten bei Verwendung von Eisenkernen durch Erwärmung der Kerne hohe elektrische, durch Wirbelströme verursachte, Verluste auf. Diese elektrischen Verluste werden durch die Verwendung von Ferriten stark reduziert.

Von Vorteil ist auch, daß bei Verwendung von Ferriten die Keine mit geringerem Durchmesser und damit das Tragrohr, auf dem Keine und Primärwicklungen angeordnet sind, mit etwas größerem Durchmesser ausgebildet werden können. Ein stabileres Tragrohr mit dünnwandigen Kernen und Primärwicklungen führt zu einer steiferen Galette, deren Biegeresonanz erst bei höheren Galettengeschwindigkeiten erreicht wird. Damit ermöglicht die Verwendung von Ferritkernen ein Betreiben der Galetten bei höheren Geschwindigkeiten.

Ferritkerne in Form von U-förmigen Profilen sind gut verfügbar. Die Ausbildung des Tragrohres und die Anordnung der U-förmigen Ferritkerne gemäß Anspruch 2 ermöglicht daher einen kostengünstigen Einsatz von Ferritkernen. Eine Galette gemäß Anspruch 3 ist für größere Galetten mit mehreren Heizzonen geeignet. Die Ausbildung der Ferritkerne einer äußeren Heizzone mit einseitig auf ihren einer Stirnplatte des Galettenmantels zugewandten Seite in radialer Richtung weniger Material gemäß Anspruch 4, beispielsweise in Form von L-förmigen Profilen, ermöglicht eine Beheizung der Stirnfläche der Galette und damit ein gleichmäßigeres Temperaturprofil.

Gemäß Anspruch 5 ist eine Galette, deren Primärwicklungen jeweils in einem Schwingkreis angeordnet sind, mit mindestens einer Frequenzregeleinrichtung für die Ansteuerfrequenz versehen. Mit Hilfe einer Frequenzregeleinrichtung kann die Ansteuerfrequenz eines Schwingkreises auf einen Wert in der Nähe der sich, zum Beispiel durch Temperatureinwirkung, ändernder Resonanzfrequenz des Schwingkreises geregelt werden. Dadurch wird immer eine effektive Leistungsübertragung gewährleistet. Dies führt zu einer zusätzlichen Energieersparnis. Für eine sehr feine Leistungsabstimmung kann für jede Primärwicklung und damit für jeden Schwingkreis eine Frequenzregeleinrichtung vorgesehen werden. Es können auch mehrere Schwingkreise an eine Frequenzregelung angeschlossen sein.

Eine Frequenzregeleinrichtung für eine Ansteuerfrequenz ist aus der US 4 675 487 für einen Kalander mit in Schwingkreisen angeordneten Primärwicklungen bekannt. Die Primärwicklungen befinden sich außerhalb des Mantels des Kalanders auf Kernen, deren Abstand zum Mantel in Abhängigkeit von der Temperatur geregelt wird. Bei Änderung des Abstandes eines Kernes vom Mantel werden, verglichen mit temperaturbedingten Änderungen bei einer Galette, größere Änderungen der Resonanzfrequenz des entsprechenden Schwingkreises hervorgerufen.

Gemäß Anspruch 6 kann eine Frequenzregeleinrichtung für alle Schwingkreise eingesetzt werden. Dies ist für große Kalander weniger geeignet, bei Galetten für Synthesefasern jedoch gut anwendbar und wegen des geringen Aufwandes durch Regeleinrichtungen von Vorteil.

Für eine Galette mit mehreren Zonen sind vorteilhafterweise eine Frequenzregeleinrichtung und mehrere Temperaturregeleinrichtungen gemäß Anspruch 7 an die Ansteuerung angeschlossen, wobei diese über Leistungsschalter mit den Schwingkreisen der Zonen verbunden ist. Auch diese Galette ist besonders für Synthesefasern geeignet.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Beispiels weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt für die Erfindung wesentliche Teile einer Galette anhand eines Schnittes parallel zur Drehachse und

Fig. 2 anhand eines Schnittes senkrecht zur Drehachse. In

Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Schaltung zum induktiven Beheizen der Galette dargestellt.

Eine induktiv beheizte Galette weist ein feststehendes, dünnwandiges Tragrohr 1, am Außenumfang des Tragrohres 1 angeordnete Ferritkerne 2 mit Primärwicklungen 3 sowie einen drehbaren Galettenmantel 4 auf.

Das Tragrohr 1 ist über einen Bund 5 am Gehäuse 6 befestigt. Der Querschnitt des Tragrohres 1 hat die Form eines Achtecks. Die Ferritkerne 2 sind als U-förmige Profile mit jeweils einer Bodenplatte 7 und zwei Schenkeln 8 ausgebildet. Jeweils acht Ferritkerne 2 sind auf einer Umfangslinie des Tragrohres 1 so verteilt, daß die Außenflächen ihrer Bodenplatten 7 auf den Flächen des Achtecks des Tragrohres 1 aufliegen. Durch das Innere der acht auf einer Umfangslinie angeordneten, eine Heizzone bildende U-Profile der Ferritkerne 2 verläuft eine Primärwicklung 3. Die Galette weist sechs in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Heizzonen auf, dementsprechend sind jeweils sechs Ferritkerne 2 in axialer Richtung Schenkel an Schenkel nebeneinander angeordnet.

Eine Heizzone kann einen Ferritkern oder mehrere auf dem Umfang des Tragrohres verteilte Ferritkerne 2 aufweisen. Bei einer größeren Anzahl der Ferritkerne 2 ist der Querschnitt des Tragrohres 1 als ein der Anzahl der Ferritkerne 2 entsprechendes Vieleck ausgebildet. Eine Galette kann nur eine Heizzone aufweisen, sie kann aber auch in bis zu 20 Heizzonen unterteilt sein.

Die Ferritkerne 2 der äußeren, dem Gehäuse 6 abgewandten Heizzone weisen einseitig, auf der der Stirnplatte 10 des Galettenmantel 4 zugewandten Seite in radialer Richtung weniger Material auf. Sie sind beispielsweise als L-förmige Profile 9, deren Form sich aus den U-Profilen ohne äußeren Schenkel 8 ergibt, ausgebildet.

Die Ferritkerne 2 können aus Nickelzink- oder Manganzinklegierungen hergestellt sein. Sie sollten eine Curie-Temperatur von etwa 200°C, eine Sättigungsinduktion von 480 bis 500 mT und eine Verlustleistung bei 16 kHz und 25°C kleiner als 0,5 W/cm² aufweisen.

Der als Hohlzylinder ausgebildete Galettenmantel 4 ist auf der dem Gehäuse abgewandten Seite mit einer, beispielsweise angeschweißten, Stirnplatte 10 versehen und über diese Stirnplatte 10 an einem im Inneren des Tragrohres 1 angeordneten und mit einem nicht dargestellten Motor verbundenen Innenrohr 11 befestigt. Der Innendurchmesser des Galettenmantels 4 ist etwas größer als eine durch die äußeren Kanten der Ferritkerne 2 verlaufende Umfangslinie. Über einen sich bis zu 90% der Länge erstreckenden Bereich weist der Galettenmantel 4 eine Bohrung 12 auf, in die auf Höhe jeder Heizzone Temperaturmeßfühler 13 eingesetzt sind. Die Temperaturmeßfühler 13 sind an Leitungen 14, die durch eine Bohrung 15 in der Stirnplatte 10 des Galettenmantels 4 durch das Innere des Tragrohres 1 zu einer Regelvorrichtung geführt sind, angeschlossen.

Eine erfindungsgemäße Galette weist außerdem, wie in der Schaltung Fig. 3 dargestellt, eine Stromversorgung mit einer Wechselspannungsquelle 16 mit drei Phasen L1, L2 und L3, einen Gleichrichter 17, einen Gleichspannungszwischenkreis 18, pro Heizzone je zwei als Transistoren ausgebildete Leistungsschalter 19, 20 und einen Schwingkreis mit der Primärwicklung 3, einem Kondensator 21 und Kondensatoren 22, 23 sowie eine Regelvorrichtung mit einer Temperaturregeleinrichtung für jede Heizzone, einer Frequenzregeleinrichtung und einer Ansteuerung 24, deren Eingänge mit den Ausgängen der Temperaturregeleinrichtungen und mit dem Ausgang der Frequenzregeleinrichtung und deren Ausgänge mit den Leistungsschaltern 19, 20 verbunden sind, auf. Die Leistungsschalter 19, 20 sind in Reihe mit derselben Durchflußrichtung zwischen die beiden Phasen des Gleichstromzwischenkreises 18 geschaltet.

Die Temperaturregeleinrichtungen sind mit den Temperaturmeßfühlern 13 der einzelnen Heizzonen verbunden. Eine Temperaturregeleinrichtung weist eine Vergleichsstelle 25, an der die gemessene Temperatur mit der Solltemperatur 26 verglichen wird, einen PI-Regler 27 und einen an die Ansteuerung 24 angeschlossenen Taktgeber 28 auf.

Die Frequenzregeleinrichtung weist einen Summierer 29, dessen Eingang mit zwischen den Primärwicklungen 3 und den Kondensatoren 21 angeordneten Strommeßeinrichtungen 30 verbunden ist, einen Schmitt-Trigger 31, eine Vergleichsstelle 32 zum Vergleich eines der mittleren gemessenen Resonanzfrequenz entsprechenden Spannungswertes mit dem Sollwert der Ansteuerfrequenz 33, einen Intergrierer 34, eine Vergleichsstelle 35 zum Vergleich eines einer mittleren Phase entsprechenden Spannungswertes mit seinem Sollwert 36, einen PI-Regler 37 und einen Spannungs- Frequenzwandler 38 auf. Dabei sind jeweils die Taktgeber 28 der Temperaturregeleinrichtungen und der Spannungsfrequenzwandler 38 über ein UND-Glied 39 an die Ansteuerung 24 angeschlossen.

Im Betrieb wird eine Galette mit auf einem Tragrohr 1 in Ferritkernen 2 angeordneten Primärwicklungen 3 und mit einem drehbaren, aus magnetisch leitendem Material bestehenden Galettenmantel 4 ohne definierte Sekundärwicklungen mit einem Wechselstrom, dessen Ansteuerfrequenz mindestens 300 Hz beträgt, gespeist.

Die Energiezufuhr erfolgt durch die Wechselspannungsquelle 16 mit drei Phasen L1, L2 und L3. Der Wechselstrom wird im Gleichrichter 17 gleichgerichtet und geglättet. Die in den dadurch gebildeten Gleichspannungszwischenkreis 18 geschalteten Schwingkreise, in denen die Primärwicklungen 3 die Induktivitäten bilden, werden durch die Ansteuerung 24 über die Leistungsschalter 19, 20 angeregt.

Dabei werden die Leistungsschalter 19, 20 taktweise ein- und ausgeschaltet. Die Länge eines Taktes beträgt beispielsweise 500 ms. Die Einschaltdauer wird für jede Heizzone durch die Temperaturregeleinrichtung aus dem Vergleich von der in der Heizzone gemessenen Temperatur und ihrem Sollwert auf einen Wert zwischen 1 und 100% der Taktlänge bestimmt. Fordert beispielsweise ein PI- Regler 27 50% Leistung an, so wird der Schwingkreis 250 ms eingeschaltet. Dies führt auch zur Verringerung der Schwankungsbreite der Temperatur auf der Oberfläche der Galette. Die Ansteuerfrequenz wird für alle Heizzonen gleich aus dem Vergleich mit dem Mittelwert der gemessenen Resonanzfrequenzen der Heizzonen erhöht um einen bestimmten Betrag bestimmt. Ihr Startwert ist, zum Beispiel, der Mittelwert der gemessenen Resonanzfrequenzen der Heizzonen bei mittlerer Last erhöht um diesen bestimmten Betrag. Der Startwert liegt bei etwa 30 KHz.

Die Übertragung der Heizleistung erfolgt überwiegend durch den hohen Wert der Änderung der magnetischen Flußdichte und durch die Verwendung von Ferritkernen bei äußerst geringer Verlustleistung. In der äußersten Heizzone wird durch die Form der Ferritkerne 2 als L-Profile 9 mindestens 10% des Hauptflusses durch die Stirnplatte 10 des Galettenmantels 4 geleitet. Die sich dadurch erwärmte Stirnplatte 10 ermöglicht ein gleichmäßiges Temperaturprofil entlang der Galette.

Bezugszeichenliste

1

Tragrohr

2

Ferritkerne

3

Primärwicklungen

4

Galettenmantel

5

Bund des Tragrohres

6

Gehäuse

7

Bodenplatte

8

Schenkel

9

L-förmiges Profil

10

Stirnplatte

11

Innenrohr

12

Bohrung

13

Temperaturmeßfühler

14

Leitung

15

Bohrung

16

Wechselspannungsquelle

17

Gleichrichter

18

Gleichspannungszwischenkreis

19

Leistungsschalter

20

Leistungsschalter

21

Kondensator

22

Kondensator

23

Kondensator

24

Ansteuerung

25

Vergleichsstelle

26

Solltemperatur

27

PI-Regler

28

Taktgebers

29

Summierer

30

Strommeßeinrichtung

31

Stromwandler

32

Vergleichsstelle

33

Sollwert

34

Integrierer

35

Vergleichsstelle

36

Sollwert

37

PI-Regler

38

Spannungs-Frequenzwandler

39

UND-Glied

Claims

1. Induktiv beheizte Galette
mit einer oder mehreren auf einem Tragrohr in aus magnetisch leitendem Material bestehenden Kernen angeordneten Primärwicklungen,
mit einem um die Primärwicklungen drehbar angeordneten Galettenmantel aus magnetisch leitendem Material ohne definierte Sekundärwicklungen,
mit Temperaturfühlern,
mit an die Temperaturfühler angeschlossene Temperaturregeleinrichtungen,
mit einer Stromversorgung zur Speisung der Primärwicklungen mit einem Wechselstrom einer Ansteuerfrequenz von mindestens 300 Hz
und mit einer mit den Temperaturregeleinrichtungen und mit der Stromversorgung verbundenen Ansteuerung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen in Ferritkernen (2) angeordnet sind.

2. Induktiv beheizte Galette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang des Trägerrohres (1) ein Vieleck bildet, die Ferritkerne (2) als U-förmige Profile ausgebildet sind und rings um das Trägerrohr (1) herum auf dessen Außenumfang angeordnet sind.

3. Induktiv beheizte Galette nach Anspruch 1 oder 2 mit mehreren, axial hintereinander angeordneten Heizzonen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkerne (2) zonenweise am Außendurchmesser des Trägerrohres (1) angeordnet sind und die Breite der Ferritkerne (2) der Zonenbreite entspricht.

4. Induktiv beheizte Galette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritkerne (2) einer äußeren Heizzone einseitig auf ihren einer Stirnplatte (10) des Galettenmantels (4) zugewandten Seiten in radialer Richtung weniger Material aufweisen.

5. Induktiv beheizte Galette nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Primärwicklungen (3) jeweils in einem Schwingkreis angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Frequenzregeleinrichtung für die Ansteuerfrequenz mit den Schwingkreisen verbunden ist.

6. Galette nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine gemeinsame Frequenzregeleinrichtung für die Ansteuerfrequenz aller Schwingkreise aufweist.

7. Galette nach Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zone ein Schwingkreis oder jeder aus mehreren Zonen bestehenden Gruppe ein Temperaturmeßfühler (13) und eine Temperaturregeleinrichtung zugeordnet ist, die Temperaturregeleinrichtungen und die Frequenzregeleinrichtung an die Ansteuerung (24) angeschlossen sind und die Ansteuerung (24) über Leistungsschalter (19, 20) mit den den Zonen zugeordneten Schwingkreisen verbunden ist.